Эффект Лейденфроста

Капля Лейденфроста

Воспроизвести медиа

Демонстрация эффекта Лейденфроста

Эффект Лейденфроста является физическим явлением , в котором жидкость, близко к поверхности , что значительно горячим , чем Ликвида точка кипения , производит изолирующий пар слой , который удерживает жидкость из кипящих быстро. Из-за этой «силы отталкивания» капля парит над поверхностью, а не вступает в физический контакт с горячей поверхностью.

Чаще всего это наблюдается при приготовлении пищи , когда на горячую сковороду капают несколько капель воды. Если температура сковороды находится на уровне или выше точки Лейденфроста, которая составляет примерно 193 ° C (379 ° F) для воды, вода скользит по поддону и испаряется дольше, чем если бы капли воды были разбрызганы в поддон. кулер. Эффект отвечает за способность человека быстро окунуть мокрый палец в расплавленный свинец ^[1] или выдохнуть полный рот жидкого азота без травм. ^[2] Последнее потенциально опасно, особенно если случайно проглотить жидкий азот . ^[3]

Эффект назван в честь немецкого врача Иоганна Готтлоба Лейденфроста , который описал его в «Трактате о некоторых качествах обычной воды» в 1751 году.

Подробности [ править ]

Воспроизвести медиа

Видеоклип, демонстрирующий эффект Лейденфроста

Воспроизвести медиа

Возбуждение нормальных мод в капле воды при эффекте Лейденфроста

Эффект можно увидеть, когда на сковороду в разное время капают капли воды, пока она нагревается. Первоначально, когда температура сковороды чуть ниже 100 ° C (212 ° F), вода выравнивается и медленно испаряется, или, если температура сковороды значительно ниже 100 ° C (212 ° F), вода остается жидкость. Когда температура сковороды превышает 100 ° C (212 ° F), капли воды шипят при прикосновении к сковороде, и эти капли быстро испаряются. Позже, когда температура превышает точку Лейденфроста, начинает действовать эффект Лейденфроста. При контакте со сковородой капли воды собираются в маленькие водяные шарики и носятся по кругу, что продолжается намного дольше, чем при более низкой температуре сковороды. Этот эффект работает до тех пор, пока более высокая температура не заставит дальнейшие капли воды испаряться слишком быстро, чтобы вызвать этот эффект.

Это связано с тем, что при температурах выше точки Лейденфроста нижняя часть капли воды испаряется сразу после контакта с горячей сковородой. Образующийся газ удерживает остальную каплю воды чуть выше себя, предотвращая дальнейший прямой контакт между жидкой водой и горячей кастрюлей. Поскольку пар имеет гораздо более низкую теплопроводность, чем металлический поддон, дальнейшая теплопередача между поддоном и каплей значительно замедляется. Это также приводит к тому, что капля может скользить вокруг поддона на слое газа прямо под ним.

Поведение воды на горячей плите. График показывает зависимость теплопередачи (потока) от температуры. Эффект Лейденфроста возникает после переходного кипения.

Температуру, при которой начинает проявляться эффект Лейденфроста, предсказать непросто. Даже если объем капли жидкости остается неизменным, точка Лейденфроста может быть совершенно другой, со сложной зависимостью от свойств поверхности, а также любых примесей в жидкости. Были проведены некоторые исследования теоретической модели системы, но они довольно сложны. ^[4] По очень приблизительной оценке, точка Лейденфроста для капли воды на сковороде может иметь место при 193 ° C (379 ° F). ^{[ необходима цитата ]}

Эффект был также описан выдающимся викторианским дизайнером паровых котлов сэром Уильямом Фэйрбэрном в отношении его влияния на значительное снижение теплопередачи от горячей поверхности железа к воде, например, внутри бойлера. В паре лекций по конструкции котлов ^[5] он процитировал работы Пьера Ипполита Бутиньи (1798–1884) и профессора Боумена из Королевского колледжа в Лондоне, изучавших это. Капля воды, которая испарилась почти сразу при 168 ° C (334 ° F), сохранялась в течение 152 секунд при 202 ° C (396 ° F). В результате более низкая температура в топке котла может привести к более быстрому испарению воды; сравнить эффект Мпембы. Альтернативный подход заключался в повышении температуры выше точки Лейденфроста. Фэйрбэрн тоже подумал об этом и, возможно, рассматривал паровой котел мгновенного испарения , но счел технические аспекты непреодолимыми в то время.

Точка Лейденфроста также может быть принята как температура, при которой парящая капля длится дольше всего. ^[6]

Было продемонстрировано, что можно стабилизировать паровой слой воды Лейденфроста, используя супергидрофобные поверхности. В этом случае, как только паровой слой образуется, охлаждение никогда не разрушает этот слой и пузырькового кипения не происходит; слой вместо этого медленно расслабляется, пока поверхность не остынет. ^[7]

Эффект Лейденфроста был использован для разработки высокочувствительной масс-спектрометрии окружающей среды. Под влиянием условия Лейденфроста левитирующая капля не высвобождает молекулы наружу, а молекулы внутри капли обогащаются. В последний момент испарения капли все обогащенные молекулы высвобождаются за короткий промежуток времени и, таким образом, повышают чувствительность. ^[8]

Создан прототип теплового двигателя на основе эффекта Лейденфроста. Его преимущество заключается в чрезвычайно низком трении. ^[9]

Точка Лейденфрост [ править ]

Точка Лейденфроста означает начало устойчивого пленочного кипения. Он представляет собой точку на кривой кипения, где тепловой поток минимален, а поверхность полностью покрыта паровой подушкой. Передача тепла от поверхности к жидкости происходит за счет теплопроводности и излучения через пар. В 1756 году Лейденфрост заметил, что капли воды, поддерживаемые паровой пленкой, медленно испаряются, когда они движутся по горячей поверхности. По мере увеличения температуры поверхности излучение через паровую пленку становится более значительным, а тепловой поток увеличивается с увеличением избыточной температуры.

Минимальный тепловой поток для большой горизонтальной пластины может быть получен из уравнения Зубера ^[6]

$${\ displaystyle {{\ frac {q} {A}} _ {min}} = C {{h} _ {fg}} {{\ rho} _ {v}} {{\ left [{\ frac {\ сигма g \ left ({{\ rho} _ {L}} - {{\ rho} _ {v}} \ right)} {{\ left ({{\ rho} _ {L}} + {{\ rho } _ {v}} \ right)} ^ {2}}} \ right]} ^ {{} ^ {1} \! \! \ diagup \! \! {} _ {4} \;}}}$$

где свойства оцениваются при температуре насыщения. Константа Цубера составляет приблизительно 0,09 для большинства жидкостей при умеренном давлении.${\ displaystyle C}$

Корреляции теплопередачи [ править ]

Коэффициент теплопередачи может быть аппроксимирован уравнением Бромли ^[6]

$${\displaystyle h=C{{\left[{\frac {k_{v}^{3}{{\rho }_{v}}g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)\left({{h}_{fg}}+0.4{{c}_{pv}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)\right)}{{{D}_{o}}{{\mu }_{v}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{4}\;}}}$$

Где - внешний диаметр трубки. Константа корреляции C составляет 0,62 для горизонтальных цилиндров и вертикальных пластин и 0,67 для сфер. Свойства пара оценивают при температуре пленки.${\displaystyle {{D}_{o}}}$

Для стабильного пленочного кипения на горизонтальной поверхности Беренсон модифицировал уравнение Бромли, чтобы получить, ^[10]

$${\displaystyle h=0.425{{\left[{\frac {k_{vf}^{3}{{\rho }_{vf}}g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)\left({{h}_{fg}}+0.4{{c}_{pv}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)\right)}{{{\mu }_{vf}}\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right){\sqrt {\sigma /g\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)}}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{4}\;}}}$$

Для вертикальных труб Хсу и Вестуотер коррелировали следующее уравнение ^[10]

$${\displaystyle h{{\left[{\frac {\mu _{v}^{2}}{g{{\rho }_{v}}\left({{\rho }_{L}}-{{\rho }_{v}}\right)k_{v}^{3}}}\right]}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}=0.0020{{\left[{\frac {4m}{\pi {{D}_{v}}{{\mu }_{v}}}}\right]}^{0.6}}}$$

Где, m - массовый расход на верхнем конце трубы.${\displaystyle l{{b}_{m}}/hr}$

При температурах, превышающих минимальный тепловой поток, вклад излучения становится заметным и становится доминирующим при высоких избыточных температурах. Таким образом, общий коэффициент теплопередачи может быть комбинацией этих двух факторов. Бромли предложил следующие уравнения для пленочного кипения с внешней поверхности горизонтальных труб.

$${\displaystyle {{h}^{{}^{4}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}={{h}_{conv}}^{{}^{4}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}+{{h}_{rad}}{{h}^{{}^{1}\!\!\diagup \!\!{}_{3}\;}}}$$

Если ,${\displaystyle {{h}_{rad}}<{{h}_{conv}}}$

$${\displaystyle h={{h}_{conv}}+{\frac {3}{4}}{{h}_{rad}}}$$

Эффективный коэффициент излучения можно выразить как${\displaystyle {{h}_{rad}}}$

$${\displaystyle {{h}_{rad}}={\frac {\varepsilon \sigma \left(T_{s}^{4}-T_{sat}^{4}\right)}{\left({{T}_{s}}-{{T}_{sat}}\right)}}}$$

Где, - коэффициент излучения твердого тела, а - постоянная Стефана-Больцмана.${\displaystyle \varepsilon }$${\displaystyle \sigma }$

Поле давления в капле Лейденфроста [ править ]

Уравнение для поля давления в паровой области между каплей и твердой поверхностью может быть решено с использованием стандартных уравнений количества движения и неразрывности . Для простоты решения предполагаются линейный профиль температуры и параболический профиль скорости в паровой фазе . Предполагается, что передача тепла в паровой фазе происходит за счет теплопроводности . С помощью этих приближений можно решить уравнение Навье-Стокса ^[11], чтобы получить поле давления.

Влияние температуры и поверхностного натяжения Лейденфроста [ править ]

Температура Лейденфроста является свойством данной пары твердое тело-жидкость. Температура твердой поверхности, за которой жидкость подвергается явлению Лейденфроста, называется температурой Лейденфроста. Расчет температуры Лейденфроста включает расчет минимальной температуры пленочного кипения жидкости. Беренсон ^[12] получил соотношение для минимальной температуры пленочного кипения из соображений минимума теплового потока. Хотя уравнение для минимальной температуры пленочного кипения, которое можно найти в приведенной выше ссылке, довольно сложное, его особенности можно понять с физической точки зрения. Одним из важнейших параметров, который следует учитывать, является поверхностное натяжение.. Пропорциональное соотношение между минимальной температурой пленочного кипения и поверхностным натяжением следует ожидать, поскольку жидкости с более высоким поверхностным натяжением нуждаются в большем количестве теплового потока для начала пузырькового кипения . Поскольку пленочное кипение происходит после пузырькового кипения, минимальная температура пленочного кипения должна пропорционально зависеть от поверхностного натяжения.

Генри разработал модель явления Лейденфроста, которая включает временное смачивание и испарение микрослоя. ^[13] Поскольку явление Лейденфроста является частным случаем пленочного кипения, температура Лейденфроста связана с минимальной температурой пленочного кипения через соотношение, которое влияет на свойства используемого твердого вещества. Хотя температура Лейденфроста не связана напрямую с поверхностным натяжением жидкости, она косвенно зависит от него через температуру кипения пленки. Для жидкостей с аналогичными теплофизическими свойствами жидкость с более высоким поверхностным натяжением обычно имеет более высокую температуру Лейденфроста.

Например, для насыщенной границы раздела вода-медь температура Лейденфроста составляет 257 ° C (495 ° F). Температуры Лейденфроста для глицерина и обычных спиртов значительно ниже из-за более низких значений поверхностного натяжения ( различия в плотности и вязкости также являются определяющими факторами).

Реактивный эффект Лейденфроста [ править ]

В 2015 году были обнаружены нелетучие материалы, которые также демонстрируют «реактивный эффект Лейденфроста», когда твердые частицы плавают над горячими поверхностями и беспорядочно перемещаются по ним. ^[14] Подробная характеристика реактивного эффекта Лейденфроста была завершена для небольших частиц целлюлозы (~ 0,5 мм) на полированных при высокой температуре поверхностях с помощью высокоскоростной фотографии. Было показано, что целлюлоза разлагается на короткоцепочечные олигомеры.которые плавят и смачивают гладкие поверхности с увеличением теплопередачи, связанной с увеличением температуры поверхности. При температуре выше 675 ° C (1247 ° F) целлюлоза проявляла переходное кипение с бурным выделением пузырьков и связанным с этим снижением теплопередачи. Отрыв капли целлюлозы (изображенной справа) наблюдался при температуре выше 750 ° C (1380 ° F), что связано с резким снижением теплопередачи. ^[15]

Также было показано, что высокоскоростная фотография реактивного эффекта Лейденфроста целлюлозы на пористых поверхностях (макропористый оксид алюминия ) подавляет реактивный эффект Лейденфроста и увеличивает общую скорость теплопередачи к частице с поверхности. Новое явление «реактивного эффекта Лейденфроста (RL)» характеризовалось безразмерной величиной (φ _RL = τ _conv / τ _rxn ), которая связывает постоянную времени теплопередачи твердых частиц с постоянной времени реакции частицы с величиной реактивный эффект Лейденфроста, возникающий при 10 ⁻¹ <φ _RL <10 ⁺¹. Реактивный эффект Лейденфроста с целлюлозой будет происходить во многих высокотемпературных применениях с углеводными полимерами, включая преобразование биомассы в биотопливо , приготовление и приготовление пищи и употребление табака . ^[16]

В популярной культуре [ править ]

В книге Жюля Верна « Майкл Строгов» 1876 года главный герой спасен от ослепления горячим лезвием испаряющимися слезами. ^[17]

В финале 7 сезона сериала « Разрушители мифов » « Mini Myth Mayhem » 2009 года команда продемонстрировала, что человек может намочить руку и ненадолго окунуть ее в расплавленный свинец без травм, используя эффект Лейденфроста в качестве научной основы. ^[18]

См. Также [ править ]

• Calefaction
• Критический тепловой поток
• Эффект Мпемба
• Ядерное кипение
• Парадокс региона-бета

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с эффектом Лейденфроста .

• Эссе об эффекте и демонстрациях Джерла Уокера (PDF)
• Сайт с высокоскоростным видео, фотографиями и объяснением кипячения пленки Хайнера Линке из Университета Орегона, США
• BBC News: «Ученые заставляют воду бегать в гору» об использовании эффекта Лейденфроста для охлаждения компьютерных микросхем .
• "Вода в гору" - рассказ ABC Catalyst
• "Leidenfrost Maze" - студенты бакалавриата Университета Бата Кармен Ченг и Мэтью Гай
• «Когда вода течет в гору» - Пятница науки с профессором Банного университета Кей Такашиной
• Джеффри, Колин (10 марта 2015 г.). «Двигатель, работающий на замороженном углекислом газе, может служить двигателем для полета на Марс» . Гизмаг . Проверено 10 марта 2015 года .
• "Эффект Лейденфроста на QI BBC"